Procesos de fundicion f montano

Capítulo II

UMSS – Facultad de Ciencias y Tecnología Ing. Mecánica –Tecnología Mecánica II

30

CAPÍTULO II Fundición moldeo y Procesos afines

2.1. FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES

2.1.1. TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN 2.1.2. CALENTAMIENTO Y VACIADO

2.1.2.1. CALENTAMIENTO DEL METAL 2.1.2.2 VACIADO DEL METAL FUNDIDO

2.1.2.2.1.1 ANÁLISIS INGENIERIL DEL VACIADO 2.1.2.3 FLUIDEZ

2.1.3 SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO 2.1.3.1 SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES 2.1.3.2 TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN 2.1.3.3 CONTRACCIÓN 2.1.3.4 SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 2.1.3.5 DISEÑO DE LA MAZAROTA

2.2 PROCESOS DE FUNDICIÓN DE METALES 2.2.1 FUNDICIÓN EN ARENA

2.2.1.1 MODELOS Y CORAZONES 2.2.1.2 MOLDES Y FABRICACIÓN DE MOLDES

2.2.2 FUNDICIÓN CENTRÍFUGA 2.2.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE YESO 2.2.4 FUNDICIÓN EN MOLDE DE CERÁMICA 2.2.5 FUNDICIÓN EN MOLDE CON REVESTIMIENTO (MODELO PERDIDO) 2.2.6 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE 2.2.7 FUNDICIÓN A PRESIÓN 2.2.8 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN 2.2.9 METALES PARA FUNDICIÓN 2.2.10 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS

Capítulo II


31

2.2. FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES

En el proceso de fundición el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde

donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde. El término fundición se aplica también a la

parte resultante de este proceso. Es uno de los más antiguos procesos de formado que se remonta 6 mil

años atrás. El principio de la fundición es simple: se funde el metal, se vacía a un molde y se deja enfriar;

hay todavía muchos factores y variables que debemos considerar para lograr una operación exitosa de

fundición.

La fundición incluye la fundición de lingotes y la fundición de formas. El término lingote se asocia

usualmente con las industrias de metales primarios; describe una fundición grande de forma simple,

diseñada para volver a formarse en procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de

formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del

producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más que de los lingotes.

Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más

versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes:

• La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas

e internas.

• Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren

operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte.

• Se puede usar la fundición para producir partes muy grandes. Se han fabricado fundiciones que

pesan más de 100 toneladas.

• El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al

estado líquido.

• Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.

No obstante, también hay desventajas asociadas con la fundición y sus diferentes métodos. Estas

incluyen las limitaciones de algunos procesos en las propiedades mecánicas como porosidad, baja

precisión dimensional y acabado deficiente de la superficie, también hay riesgos en la seguridad de los

trabajadores durante el procesamiento y problemas ambientales.

Las partes de fundición fluctúan en tamaño, desde pequeños componentes que pesan solamente

unas cuantas onzas hasta grandes productos de más de 100 toneladas. La lista incluye coronas dentales,

joyería, estatuas, estufas de hierro fundido, bloques y cabezas para motores automotrices, base para

máquinas, ruedas para ferrocarril, sartenes para freír, tubos y carcasas para bombas. Se pueden fundir

todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos.

La fundición también puede utilizarse en otros materiales como polímeros y cerámicos; sin

embargo, como los detalles son bastante diferentes, posponemos en análisis de los procesos de

fundición de estos materiales para secciones posteriores. En este tema revisamos los fundamentos que

se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido; se describen los procesos de fundición

individualizados, junto con los aspectos que deben considerarse en el diseño de productos de fundición.

Capítulo II


32

2.2.1. TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN

La fundición, como proceso de producción, se lleva a cabo generalmente en una fundidora. Una

fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido,

desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan

las operaciones de fundición en estas fábricas se llaman fundidores.

Este proceso empieza lógicamente con un molde. El molde consiste en dos mitades: la tapa y la

draga. Ambas están contenidas en la caja del molde, que también se divide en dos partes: La semicaja

superior y la semicaja inferior (en inglés cope es la parte superior y drag la parte inferior), una para cada

parte del molde; las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación. El molde

contiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe

diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal

durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentajes de contracción, por tanto,

la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la

superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por

medio de un corazón, el cual es una forma colocada en el interior de la cavidad del molde para formar la

geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso,

cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes

tipos de moldes.

FIGURA 2.1 Dos formas de molde: (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la

forma de la parte de fundición; y (b) molde cerrado, de forma más compleja que requiere

un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad.

En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente

alta para transformarlo completamente al estado líquido. Después se vierte directamente en la cavidad

del molde. En un molde abierto figura 2.1(a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad

abierta. En un molde cerrado figura 2.1(b) una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del

metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de

producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red

Capítulo II


33

de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado,

consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del

cual entra el metal a un canal de alimentación que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del

bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del

metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono.

Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón con un canal abierto que conduce al bebedero

de colada.

Tan pronto como el material fundido en el molde empieza a enfriarse, y conforme desciende la

temperatura (al punto de congelación de un metal puro), empieza la solidificación que involucra un

cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de fase, porque es necesario

disipar una considerable cantidad de calor. Durante este proceso, el metal adopta la forma de la cavidad

del molde y se establecen muchas de las propiedades y características de la fundición.

En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de

vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que

sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación.

A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que

solidifique después de la fundición principal.

Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse

procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre éstos se

encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del

producto y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado

para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y

microestructura metalúrgica asociada.

2.2.2. CALENTAMIENTO Y VACIADO

Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta a temperatura ligeramente mayor

que su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta

sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición.

2.2.2.1. CALENTAMIENTO DEL METAL

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria de fusión. La

energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2)

calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la

temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:

{ })()( mptfomS TTCHTTCVH −++−= ρ 2.1

Capítulo II


34

Donde:

=H calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión, (J)

=ρ densidad, (Kg/m3)

=sC calor específico en peso para el material sólido, (J/Kg ºC)

=mT temperatura de fusión del metal, (ºC)

=0T Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (ºC);

=fH calor de fusión, (J/Kg)

=tC calor específico en peso del metal líquido, (J/KgºC)

=pT temperatura de vaciado, (ºC)

=V Volumen del metal que se calienta, (m3).

Ejemplo 2.1: Calentamiento del metal para fundición.

Un volumen de 0.03 m3 de una cierta aleación eutéctica se va a calentar en un crisol desde la

temperatura ambiente hasta 100 ºC por encima de su punto de fusión. Las propiedades de la aleación

son densidad = 4160 kg/m3, punto de fusión = 700 ºC, calor específico del metal = 343.32 J/kgoC en el

estado sólido y 297.26 J/kgoC en el estado líquido; y el calor de fusión = 167120.85 J/kg. ¿Cuánta

energía calorífica se debe añadir para alcanzar el calentamiento, asumiendo que no hay pérdidas?

Solución: Si aceptamos que la temperatura ambiente en la fundición = 26 ºC y que las densidades en los

estados líquido y sólido del metal son las mismas, al sustituir los valores de las propiedades en la

ecuación (2.1) se tiene:

H = (4160)(0.03){343.32(700-26) + 167120.85 +297.26(800-700}

= 53444917.34 J

.

La ecuación 2.1 tiene un valor conceptual y su cálculo es de utilidad limitada, no obstante se usa

como ejemplo. El cálculo de la ecuación 2.1 es complicado por los siguientes factores: 1) el calor

específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con una temperatura, especialmente si el

metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento; 2) el calor específico de un metal puede ser

diferente en el estado sólido y en estado líquido; 3) la mayoría de los metales de fundición son aleaciones

que funden en un intervalo de temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar de un punto único de fusión,

por lo tanto, el calor de fusión no puede aplicarse tan fácilmente como se indica arriba; 4) en la mayoría

de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuación para una aleación particular y 5)

durante el calentamiento hay pérdidas de calor significativas.

Capítulo II


35

2.1.3.2 VACIADO DEL METAL FUNDIDO

Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido

en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para

que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del

molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la

operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el

molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que

empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura líquidus para una

aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento.

La velocidad de vaciado se refiere a la velocidad volumétrica a la que se vierte el metal fundido

dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la

velocidad de vaciado es excesiva, la turbulencia puede convertirse en un problema serio.

La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad a través del fluido;

cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento

debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos

que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La

turbulencia también agrava la erosión del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde

debido al impacto del flujo de metal fundido. Las densidades de la mayoría de los metales fundidos son

más altas que las del agua y de otros fluidos que conocemos normalmente. Los metales fundidos son

químicamente mucho más reactivos que a temperatura ambiente. Por consiguiente, el desgaste causado

por el flujo de estos metales en el molde es significativo, especialmente bajo condiciones turbulencias. La

erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte

fundida.

2.1.3.2.1 ANÁLISIS INGENIERIL DEL VACIADO

Varias relaciones gobiernan el flujo del metal líquido a través del sistema de vaciado y dentro del

molde. Una relación importante es el teorema de Bernoulli, el cual establece que la suma de las energías

(altura, presión dinámica, energía cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye son

iguales. Esto se puede escribir en la siguiente forma:

21

222

21

211

1 22 −+++=+++ Fg

vgP

hFg

vgP

hρρ

2.2

Donde:

=h altura, (m)

=P presión en el líquido, (N/m2)

Capítulo II


36

=ρ densidad, (Kg/m3)

=v velocidad de flujo en (m/seg)

=g Constante de la aceleración gravitacional, (9.81 m/seg2);

=F Pérdidas de carga debidas a la fricción, (metros).

Los subíndices 1 y 2 indican los dos puntos cualquiera en el flujo del líquido.

La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las pérdidas por

fricción (de seguro, la fricción afectará el flujo del líquido a través del molde de arena) y asumimos que el

sistema permanece a presión atmosférica en toda su extensión, entonces la ecuación puede reducirse a:

gv

hg

vh

22

22

2

21

1 =+ 2.3

La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de

colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un punto (2) en la base. Si el punto

(2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto es cero ( 02 =h ) y 1h es la altura (longitud)

del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en

la parte superior es cero ( 01 =v ). Entonces la ecuación 1.3 se simplifica a

gv

h2

22

1 =

que se pede resolver para la velocidad del flujo:

ghv 2= 2.4

Donde:

=v Velocidad del metal líquido en la base del bebedero de colada, (m/seg);

=g 9.81 m/seg2

=h altura del bebedero (m)

Otra relación de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la

velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido. La velocidad del flujo

volumétrico m3/seg es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del flujo

líquido. La ley de continuidad puede expresarse como:

2211 AvAvQ == 2.5

Donde:

=Q Velocidad de flujo volumétrico, (m3/seg);

Capítulo II


37

=v Velocidad, (m/seg);

=A área de la sección transversal del líquido, (m2)

Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento

en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa.

Las ecuaciones 2.4 y 2.5 indican que el bebedero debe ser ahusado. El área de la sección

transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el bebedero

de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido al incremento de la velocidad del

metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta

condición, se diseña el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumétrica de flujo

vA sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero.

Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea

horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del bebedero), la velocidad

volumétrica de flujo a través del sistema de vaciado y dentro de al cavidad del molde permanece igual a

vA en la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido para llenar una cavidad de

volumen V como sigue:

QVMFT = 2.6

Donde:

=MFT tiempo de llenado del molde, seg. (s);

=V Volumen de la cavidad del molde, (m3);

=Q Velocidad volumétrica de flujo. (m3/seg)

El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuación 2.6 debe considerarse como tiempo

mínimo, debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posible constricción del flujo en el

sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde será mayor que el resultante de la ecuación

2.6

Ejemplo 2.2: Cálculos de vaciado. Un molde tiene un bebedero de colada cuya longitud es 0.20 m y el área de la sección transversal en la

base del bebedero es 0.000258 m2. El bebedero alimenta a un canal horizontal que conduce a la cavidad

del molde cuyo volumen es 0.0016387 m3. Determine a) la velocidad del metal fundido en la base del

bebedero, b) la velocidad volumétrica de flujo y c) el tiempo de llenado del molde.

Solución: a) La velocidad del flujo de metal en la base del bebedero está dada por la ecuación 2.4

Capítulo II


38

=⋅⋅== 20.081.922hgv 1.98 m /seg

b) La velocidad volumétrica de flujo es

=Q (0.000258 m2)(1.98 m/seg) = 0.00051107 m3/seg

c) El tiempo requerido para llenar una cavidad de 0.0016387 m2 con este flujo es

=MFT 0.0016387/0.0005152 = 3.2 seg.

2.1.3.3 FLUIDEZ

Las características del metal fundido se describen frecuentemente con el término fluidez, una

medida de la capacidad del metal par llenar el molde antes de enfriar. Existen métodos normales de

ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba que se muestra en la figura 2.2, donde la

fluidez se mide por la longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez

del metal fundido.

FIGURA 2.2 Molde espiral para ensayo de la fluidez, ésta se mide por la longitud del

canal espiral lleno antes de la solidificación

Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composición del metal, la

viscosidad del metal líquido y el calor transferido de los alrededores. Una temperatura mayor, con

respecto al punto de solidificación del metal, incrementa el tiempo que el metal permanece en estado

líquido permitiéndole avanzar más, antes de solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como

la formación de óxido, la porosidad gaseosa y la penetración del metal líquido en los espacios

intersticiales entre los gramos de arena que componen el molde. Este último problema causa que la

superficie de la fundición incorpore partículas de arena que la hacen más rugosa y abrasiva de lo normal.

La composición también afecta la fluidez, particularmente en lo que respecta a los mecanismos de

solidificación del metal. Los metales que se solidifican a temperatura constante tienen mejor fluidez (por

ejemplo, metales puros y aleaciones eutécticas). Cuando la solidificación ocurre en un intervalo de

temperaturas, como es el caso de muchas aleaciones, la porción parcialmente solidificada interfiere en el

Capítulo II


39

flujo de la porción líquida, reduciendo así la fluidez. La composición del metal determina, además de los

mecanismos de solidificación, el calor de fusión, la cantidad de calor requerida para que el metal pase del

estado líquido al sólido. Un mayor calor de fusión tiende a incrementar la medida de la fluidez en la

fundición.

2.1.4 SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección

examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos

asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la

solidificación direccional y el diseño de las mazarotas.

2.1.3.6 SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES

La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación

difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

FIGURA 2.3 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de

congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso

ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3, conocida como curva de enfriamiento.

La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor

latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento

de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado

Capítulo II


40

completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la

curva de enfriamiento.

Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película inicial de

metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta para

formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme

progresa la solidificación. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y

de las propiedades térmicas del metal.

Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durante este proceso de

solidificación. El metal que forma la película inicial se ha enfriado rápidamente por la extracción de calor a

través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento causa que los granos de la película sean finos,

equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman más granos y el

crecimiento ocurre en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a

través de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espinas de metal

sólido. Al agrandarse estas espinas se forman ramas laterales que siguen creciendo y forman ramas

adicionales en ángulos rectos con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrítico

del grano ocurre no solamente en la solidificación de los metales puros, sino también en la de las

aleaciones. Estas estructuras tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al

depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificación. Los granos

resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente y tienden a ser burdos y

alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de la fundición. La estructura granulada

resultante se ilustra en la figura 2.4

FIGURA 2.4 Estructura cristalina característica del un metal puro, mostrando los granos,

pequeños orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos

columnares grandes orientados hacia el centro de la fundición

Capítulo II


41

FIGURA 2.5 (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva

de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición.

Aleaciones en general. Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas

en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y su composición

particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la figura 2.5, que muestra

el diagrama de fase de un sistema particular de aleación y a la curva de enfriamiento para una

composición dada. Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación en la temperatura que

indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificación es similar a

la del metal puro. Se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de

temperatura en esta superficie. La solidificación progresa entonces igual que antes, mediante la

formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a la propagación de la temperatura

entre liquidus y solidus, el crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el

metal sólido y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se

han formado lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido

tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de las condiciones

del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la

fundición. Los factores que promueven la última condición son una lenta transferencia de calor fuera del

metal caliente y una amplia diferencia entre liquidus y solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita

se solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura solidus que

corresponde a la composición de la aleación.

Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de las dendritas que

al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto de fusión mayor Al continuar la

solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalance entre la composición del metal solidificado y

el metal fundido remanente. Este desbalance de composición se manifiesta finalmente como segregación

Capítulo II


42

de elementos en las fundiciones terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y

macroscópica. A nivel microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto

se debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de los elementos

de la aleación La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sido parcialmente agotado de

este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidifica en cada grano es el que quedó atrapado

en las ramas de las dendritas, cuya composición es aún más desbalanceada. El resultado es una

variación en composición química dentro de cada grano de la fundición.

A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición en sí. Como las

regiones de la fundición que se solidifica primero (generalmente cerca de las paredes del molde) son más

ricas en un componente que en otro, la composición de la aleación fundida remanente queda modificada

cuando ocurre la solidificación en el interior. Se genera entonces, una segregación general a través de la

sección transversal de la fundición, llamada algunas veces segregación de lingote como se muestra en la

figura 2.6.

FIGURA 2.6 Estructura cristalina característica de fundición para una aleación,

mostrando la segregación de los componentes en el centro de la fundición.

Aleaciones eutécticas. Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general

de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las

temperaturas sólidus y líquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura

constante, y no en un rango de temperaturas como se describió anteriormente, el hierro fundido (4.3%C)

son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición.

Capítulo II


43

2.1.3.7 TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN

Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo

total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este

tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida

como regla de Chvorinov que establece n

m AVCTST

= 2.7

Donde:

=TST Tiempo de solidificación total, min;

=V Volumen de fundición, (m3);

=A Área superficial de la fundición, (m2);

=n Exponente que toma usualmente un valor de 2;

=mC Es la constante del molde.

Dado que n = 2, las unidades de mC son (min/m2), su valor depende de las condiciones

particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor

específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de fundición (calor de fusión, calor

específico y conductividad térmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión

del metal. El valor de mC para una operación dada se puede basar en datos experimentales de

operaciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la

forma de la parte haya sido bastante diferente.

La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área superficial se

enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el

diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de alimentar metal fundido a al cavidad

principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En

otras palabras, la TST para la mazarota debe exceder la TST de la fundición principal. Como la

condición del molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales.

Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más o

menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efectos de la

contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en

cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas.

2.1.3.8 CONTRACCIÓN

Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurre durante el

enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos: 1) contracción líquida durante el

Capítulo II


44

enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido,

llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el

enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una

fundición cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 2.7.

FIGURA 2.7 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y

enfriamiento: (0) niveles iniciales del metal fundido inmediatamente después del vaciado;

(1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2)

reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada por la contracción

por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro debida a la contracción

térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones están exageradas para

mayor claridad.

El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La

contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la

Capítulo II


45

temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1)

de la Fig. La cantidad de esta concentración líquida es generalmente alrededor del 0.5%. La contracción

de solidificación que se observa en la parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contracción causa una

reducción posterior en la altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para

alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última región

en solidificar; la ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición. Esta cavidad de

encogimiento es llamada por los fundidores rechupe. Una vez solidificada, la fundición experimenta una

contracción posterior en altura y diámetro mientras se enfría como en (3). Esta contracción se determina

por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para

determinar la contracción.

La Tabla 2.1, presenta algunos valores típicos de la contracción volumétrica para diferentes

metales de fundición debidos a la contracción por solidificación y a la contracción sólida paso (2) y (3). La

contracción por solidificación ocurre casi en todos los metales porque la fase sólida tiene una mayor

densidad que la fase líquida. La transformación de fase que acompaña la solidificación causa una

reducción en el volumen por unidad de peso del metal. La excepción en la tabla 2.1 es el hierro fundido

con un contenido alto de carbono, cuya solidificación se complica por un período de grafitación durante

las etapas finales de enfriamiento, que provoca una expansión tendiente a contrarrestar el crecimiento

volumétrico asociado con el cambio de fase.

TABLA 2.1 Contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debida a la

contracción por solidificación y contracción del sólido

Contracción volumétrica debida a:

Metal Contracción

por solidificación %

Contracción

térmica del sólido %

Aluminio

Aleación de aluminio (típica)

Fundición de hierro gris

Fundición de hierro gris al alto carbono

Fundición de acero al bajo carbono.

Cobre

Bronce (CuSn)

7.0

7.0

1.8

0

3.0

4.5

5.5

5.6

5.0

3.0

3.0

7.2

7.5

6.0

Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las

cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar a las dimensiones del molde con respecto al

tamaño de la pieza final se llama tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es

volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los

moldes más grandes que la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera

elongación en proporción adecuada. Estas reglas varían en elongación desde menos de 3 mm. a 16 mm.

por cada 300 mm de longitud con respecto a una regla normal, dependiendo del metal a fundir.

Capítulo II


46

2.1.3.9 SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL

Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la

fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación

progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en

las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción durante la solidificación. Se usa el término -

solidificación direccional para describir este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de

control La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la

fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al

localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificación

aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición

permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas.

Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros de calor internos

o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición, Los enfriadores

internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo

es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener

una composición química igual a la del metal que se vacía. Esto se logra fabricando él, enfriador del

mismo metal que la fundición.

FIGURA 2.8 (a) Enfriadores externos para alentar la solidificación rápida del metal

fundido en una zona delgada de la fundición y (b) resultado probable si no se usan los

enfriadores.

Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que

remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante, a fin de promover

solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que son difíciles de alimentar con metal

líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la

conexión con el metal líquido está todavía abierta. La figura 2.8 ilustra una posible aplicación de

refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran.

Tan importante como iniciar la solidificación en las regiones apropiadas de la cavidad, es evitar la

solidificación prematura en las secciones del molde cercanas a la mazarota. De particular interés es la vía

Capítulo II


47

de paso entre la mazarota y la cavidad principal. Esta conexión debe diseñarse de manera que no se

solidifique antes de la fundición, porque puede aislar el metal fundido en la mazarota. Aunque

generalmente es deseable minimizar el volumen en la conexión (para reducir el desperdicio), la sección

transversal del área debe ser adecuada para retardar la solidificación prematura. Con este objeto se hace

el pasaje de corta longitud para que reciba calor del metal fundido en la mazarota y en la fundición.

2.1.3.10 DISEÑO DE LA MAZAROTA

Tal como se describió antes, una mazarota figura 2.1(b) se usa en un molde de fundición para

alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por

solidificación. La mazarota debe permanecer fundida hasta después de que la fundición solidifique. Para

satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamaño de la mazarota usando la regla de Chvorinov.

El siguiente ejemplo ilustra los cálculos.

Ejemplo 2.3: Diseño de la mazarota usando la regla de Chvorinov Debe diseñarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición en arena. La fundición es una placa

rectangular de acero con dimensiones 0.0762 m x 0.127 X 0.0254 m. En observaciones previas se ha

indicado que el tiempo de solidificación total (TST ) para esta fundición = 1.6 min. La mazarota cilíndrica

tendrá una relación de diámetro a altura de 1.0. Determine la dimensión que la mazarota de manera que

TST = 2.0 minutos.

Solución: Determine primero la relación V/A para la placa. Su volumen V = 0.0762 x 0.127 x 0.0254 =

0.0002458 m3, y la superficie del área A = 2(0.0762 x 0.127 + 0.0762 x 0.0254 + 0.127 x 0.0254) =

0.032258 m2. Dado que TST = 1.6 min podemos determinar la constante del molde Cm mediante la

ecuación (2.7) usando un valor de n = 2 en la ecuación.

[ ]222 min36.27560)03226.0/0002458.0(

6.1)/(

mAV

TSTCm ===

Después debemos diseñar la mazarota de manera que su tiempo de solidificación total sea de 2.0

min, usando el mismo valor de la constante del molde ya que tanto la fundición como la mazarota están

en el mismo molde. El volumen de la mazarota esta dado por

4

2hDV π=

y el área de la superficie esta dada por

42 2DDhA ππ +=

Capítulo II


48

Como estamos usando una relación D/h = 1.0, entonces D = h. Al sustituir D por h en las formulas del

volumen y el área tenemos

4

3DV π=

y

22

2 5.14

2 DDDA πππ =+=

entonces la relación V/A = D/6. Usando esta relación en la ecuación de Chvorinov tenemos:

22

4.45936

36.275600.2 DDTST =

==

[ ]242 1035.44.45930.2 mD −×==

[ ]mD 21009.2 −×=

Como h = D, también h = 2.09x10-2[m]

La mazarota representa el metal de desperdicio que se separa del proceso y se refunde para hacer

fundiciones subsecuentes. Es deseable que este volumen de metal en la mazarota sea el mínimo. Como

la forma geométrica de la mazarota se selecciona normalmente para maximizar V/A, esto tiende a reducir

el volumen de la mazarota lo más posible. Nótese que el volumen de la mazarota en nuestro ejemplo es

V = π(2.09X10-2)3 /4 = 7.14X10-6 m3, solamente 55% del volumen de la placa (fundición), incluso cuando

el tiempo de solidificación total es más grande por un 25%.

La mazarota se puede diseñar en diferentes formas. El diseño mostrado en la figura 2.1 (b) es una

mazarota lateral. Está anexada a un lado de la fundición por medio de un pequeño canal. Una mazarota

superior se conecta en la parte superior de la superficie de la fundición. Las mazarotas pueden ser

abiertas o sumergidas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa,

pero tiene la desventaja de permitir que escape más calor, promoviendo una solidificación más rápida.

Una mazarota sumergida está completamente encerrada dentro del molde como en la figura 2.1 (b).

2.3 PROCESOS DE FUNDICIÓN DE METALES

Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes 1)

moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con molde desechable,

éste se destruye para remover la parte fundida. Como se requiere un nuevo molde por cada nueva

fundición, las velocidades de producción en procesos de molde desechable son limitadas, más a causa

del tiempo que se requiere para hacer el molde, que al tiempo para hacer la fundición. Sin embargo, para

ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores.

En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que

Capítulo II


49

permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una

ventaja natural para mayores velocidades de producción.

2.3.1 FUNDICIÓN EN ARENA

La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método

representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en

arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas

de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o

muy grandes (véase la figura 2.9) y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de

éstas.

FIGURA 2.9 Fundición en arena para el cuerpo de un compresor con un peso de 680 Kg

(Cortesía de Elkhart Foundry, Foto por Paragon Inc. , Elkhart, Indiana).

La fundición en arena consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar

y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso

de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus

propiedades metalúrgicas. Se da forma a la cavidad del molde de arena recubriendo con arena un

modelo o patrón (un duplicado aproximado de la parte que se va a fundir), después se remueve el modelo

para separar el molde en dos mitades.

Capítulo II


50

El molde contiene el sistema de vaciado y la mazarota, pero si la fundición tiene superficies

internas (por ejemplo partes huecas o agujeros) debe incluirse también un corazón. Como el molde se

sacrifica para remover la fundición, se tiene que hacer un nuevo molde de arena por cada parte a

producir. En esta breve descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye

operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes. La secuencia

se muestra en la figura 2.10.

FIGURA 2.10 Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena. Los pasos

incluyen no solamente las operaciones de fundición si no también la manufactura del

modelo y del molde.

2.3.1.1 MODELOS Y CORAZONES

La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte, ligeramente

agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la pieza final.

Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La

madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas

son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo

cual limita el número de veces que puede usarse. Los modelos de metal son más costosos pero duran

más. Los plásticos representan un término medio entre la madera y los metales. La selección del material

apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de piezas a producir.

Hay varios tipos de modelos, como se ilustra en la figura 2.11. El más simple está hecho de una

pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por

contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para

hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del

molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un

problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos

sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad.

Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste

coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de

Capítulo II


51

forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda

predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador.

Para altos volúmenes de producción se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los

modelos dé doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del

modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la

placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo (cope y drag) del molde. Los

modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las

mitades del patrón dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte

superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma

herramienta para ambas. La parte (d) de la figura 2.11 incluye el sistema de vaciado y de mazarota en los

modelos con placa de acoplamiento doble.

FIGURA 2.11 Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido,

b)modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento d) modelo de doble placa

superior e inferior

Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un

corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la

parte. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido,

solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la

fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe

incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. El corazón, dependiendo de

la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el

vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea

mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de

acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura

2.12 se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que

sobresalen de la fundición se recortan después.

Capítulo II


52

FIGURA 2.12 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los

sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna.

2.3.1.2 MOLDES Y FABRICACIÓN DE MOLDES

El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de

fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas

propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o

degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del

grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado

superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen

durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de

granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad.

En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y

arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar

otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgánicas (por ejemplo resinas fenólicas) y

aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio). Algunas veces se añaden a la mezcla

de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar las propiedades del molde como la resistencia y

permeabilidad.

En el método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena alrededor del

modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se

realiza por varios métodos. El más simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un

operario. Además, se han desarrollado varias máquinas para mecanizar el procedimiento de empacado,

las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos: 1) compactación de la arena alrededor del

patrón o modelo mediante presión neumática; 2) acción de sacudimiento, dejando caer repetidamente la

arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de compactarla en su lugar; y 3) lanzamiento, haciendo

que los granos de arena se impacten contra el patrón a alta velocidad.

Capítulo II


53

Una alternativa a las cajas tradicionales para moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste

en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de

arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la producción por este método

automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora.

Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde: 1) resistencia,

capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido,

depende del tamaño del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores; 2)

permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a

través de los poros de la arena; 3) estabilidad térmica, capacidad de la arena en la superficie de la

cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido; 4)

retractibilidad, capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse; también se

refiere a la capacidad de remover la arena de la fundición durante su limpieza; y 5) reutilización, ¿puede

reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes?. Estas medidas son algunas veces

incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción.

Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca.

Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde"

se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena

verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad,

permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los mas

ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar

defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza.

Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se

cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 204 ºC y 316 ºC. El cocido en estufa

refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor

control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde. Sin embargo, el molde de arena seca

es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones

se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades de producción bajas.

En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una

profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios,

aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales

adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad.

La clasificación precedente de moldes se refiere al uso de aglutinantes convencionales, ya sea

agua, arcilla u otros que requieren del calentamiento para curar. Se han desarrollado también moldes

aglutinados, químicamente diferentes de cualquiera de los aglutinantes tradicionales. Algunos de estos

materiales aglutinantes, utilizados en sistemas que no requieren cocimiento, incluyen las resinas

furánicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehído), las fenólicas y los aceites alquídicos.

La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento está creciendo debido a su buen control

dimensional en aplicaciones de alta producción.

Capítulo II


54

A continuación se muestra una serie de fotografías que describen el proceso de fundición en molde

de arena

Se fabrica una amplia variedad de tipos de vaciado. Abajo se muestra una fábrica que produce vaciados en molde de arena maquinados hechos de fierro dúctil.

Lingotes de hierro dúctil Llenando un molde con arena

Cerniendo y Comprimiendo Arena

Medio molde de arena Corazón de arena en medio molde

Medio molde con corazón en su lugar

Ensamblando las mitades del molde Vaciando acero fundido

Vaciado laminar

Llenando un molde Seis moldes a la vez

Laboratorio con reactivos

Inspección con Microscopio

Vaciado con tratamiento de arena

Capítulo II


55

2.3.2 FUNDICIÓN CENTRÍFUGA

La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un,

molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones

exteriores de la cavidad del dado. El grupo incluye: 1) fundición centrífuga real, 2) fundición

semicentrífuga y 3) fundición centrifugada o centrifugado.

Fundición centrífuga real En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde

que está girando para producir una parte tubular. Ejemplos de partes hechas por este proceso incluyen

tubos, caños, manguitos y anillos. Este método se ilustra en la figura 2.13. El metal fundido se vacía en el

extremo de un molde rotatorio horizontal.

FIGURA 2.13 Disposición de la centrífuga real

Capítulo II


56

La rotación del molde empieza en algunos casos después del vaciado. La alta velocidad genera

fuerzas centrífugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde. Por tanto, la forma

exterior de la fundición puede ser redonda, octagonal, hexagonal o cualquier otra. Sin embargo, la forma

interior de la fundición es perfectamente redonda (al menos teóricamente), debido a la simetría radial de

las fuerzas en juego.

La orientación del eje de rotación del molde puede ser horizontal o vertical, pero esta última es la

más común. Para que el proceso trabaje satisfactoriamente se calcula la velocidad de rotación del molde

en la fundición centrifuga horizontal. La fuerza centrífuga está definida por la ecuación:

RmvF

2

= 2.8

Rgv

Rmgmv

WFGF

22

=== 2.9

Donde:

F = fuerza (N)

m = masa (Kg)

v = velocidad (m/s)

R = radio interior del molde (m)

W = mg es su peso (N)

g = aceleración de la gravedad (m/s2)

El factor-G GF es la relación de fuerza centrífuga dividida por el peso

La velocidad v puede expresarse como 2πRN / 60 = πRN / 30, donde N velocidad rotacional

rev/min. Al sustituir esta expresión en la ecuación (2.9) obtenemos

( )g

RGF

N 230π

= 2.10

Con un arreglo matemático para despejar la velocidad rotacional N y usando el diámetro D en lugar

del radio, tenemos

DgGFN 230

π= 2.11

Donde:

D = diámetro interior del molde (m)

N= velocidad de rotación (rev/min)

Si el factor-G es demasiado bajo en la fundición centrífuga, el metal líquido no quedará pegado a la

pared del molde durante la mitad superior de la ruta circular sino que “lloverá” dentro de la cavidad.

Ocurren deslizamientos entre el metal fundido y la pared del molde, lo cual significa que la velocidad

rotacional del metal es menor que la del molde. Empíricamente, los valores de GF = 60 a 80 son

Capítulo II


57

apropiados para la fundición centrífuga horizontal, aunque esto depende hasta cierto punto del metal que

se funde

Ejemplo 2.4 Velocidad de rotación en la fundición centrífuga real

Se realizará una operación de fundición centrífuga real horizontal para hacer secciones de tubo de cobre

de 0.3 m de longitud con un diámetro externo = 0.25 m y diámetro interno = 0.22 m ¿Qué velocidad de

rotación se requiere, si se usa un factor-G de 65 para fundir la tubería?

Solución: El diámetro interno del molde D = diámetro externo de la fundición = 0.25 m. Podemos calcular

la velocidad rotacional requerida por medio de la ecuación (2.11) como sigue:

[ ]min/69.68125.06581.9230 revN =⋅⋅

=π

En la fundición centrifuga vertical el efecto de la gravedad que actúa en el metal líquido causa

que la pared de la fundición sea más gruesa en la base que en la parte superior. El perfil interior de la

fundición tomará una forma parabólica. La diferencia entre el radio de la parte superior y del fondo se

relaciona con la velocidad de rotación como sigue:

22

230

bi RRglN−

=π

2.12

Donde:

L = longitud vertical de la fundición (m)

Rt = radio interno de la parte superior de la fundición (m)

Rb = radio interior en el fondo de la fundición (m).

Se puede usar la ecuación (2.12) para determinar la velocidad rotacional requerida para la

fundición centrífuga vertical, dadas las especificaciones de los radios internos en la parte superior y en el

fondo. De la fórmula se desprende que para igualar a Rt, y a Rb, la velocidad de rotación N tendría que

ser infinita, lo cual desde luego es imposible. En la práctica es conveniente que la longitud de las partes

hechas por fundición centrífuga vertical no exceda de dos veces su diámetro. Esto es satisfactorio para

bujes y otras partes que tengan diámetros grandes en relación con sus longitudes, especialmente si se va

a usar el maquinado para dimensionar con precisión el diámetro interior.

Las fundiciones hechas por fundición centrífuga real se caracterizan por su alta densidad,

especialmente en las regiones externas de la pieza, donde F es más grande. La contracción por

solidificación en el exterior del tubo fundido no es de consideración, debido a que la fuerza centrífuga

relocaliza continuamente el metal fundido hacia la pared del molde durante la congelación. Cualquier

impureza en la fundición tiende a ubicarse en la pared interna y puede eliminarse mediante maquinado si

es necesario,

Capítulo II


58

Fundición semicentrífuga En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones

sólidas en lugar de partes tubulares, como se muestra en la figura 2.14. La velocidad de rotación se

ajusta generalmente para un factor-G alrededor de 15, y los moldes se diseñan con mazarotas que

alimenten metal fundido desde el centro. La densidad del metal en la fundición final es más grande en la

sección externa que en el centro de rotación. El centro tiene poco material o es de poca densidad. Por lo

regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente, excluyendo así la

porción de más baja calidad. Los volantes y las poleas son ejemplos de fundiciones que pueden hacerse

por este proceso. Se usan frecuentemente moldes consumibles o desechables en la fundición

semicentrífuga, como sugiere nuestra ilustración del proceso.

FIGURA 2.14 Fundición semicentrífuga

FIGURA 2.15 (a) Fundición centrifugada: la fuerza centrífuga hace que el metal fluya a

las cavidades del molde lejos del eje de rotación y (b) la fundición.

Capítulo II


59

Fundición centrifugada Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a

racimos de cavidades colocadas simétricamente en la periferia (figura 2.15), de manera que la fuerza

centrífuga distribuya la colada del metal entre estas cavidades. El proceso se usa para partes pequeñas,

la simetría radial de la parte no es un requerimiento como en los otros dos métodos de fundición

centrífuga.

2.3.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE YESO

La fundición con moldes de yeso es similar a la fundición en arena, excepto que el molde está

hecho de yeso (2CaSO4 – H20) en lugar de arena. Se mezclan aditivos como el talco y la arena de sílice

con el yeso para controlar la contracción y el tiempo de fraguado, reducir los agrietamientos e

incrementar la resistencia. Para fabricar el molde, se hace una mezcla de yeso y agua, se vacía en un

modelo de plástico o metal en una caja de moldeo y se deja fraguar. En este método, los modelos de

madera son generalmente insatisfactorios, debido al extenso contacto con el agua del yeso. La

consistencia permite a la mezcla de yeso fluir fácilmente alrededor del patrón, capturando los detalles y el

acabado de la superficie. Ésta es la causa de que las fundiciones hechas en moldes de yeso sean

notables por su fidelidad al patrón.

El curado del molde de yeso es una de las desventajas de este proceso, al menos para altos

volúmenes de producción. El molde debe dejarse fraguar cerca de 20 minutos antes de sacar el molde y,

posteriormente, debe cocerse por varias horas para remover la humedad. Aun cocido, el yeso no se

desprende de todo el contenido de humedad. El problema que enfrentan los fundidores es que la

resistencia del molde se pierde cuando el yeso se deshidrata y, en el caso contrario, la humedad

remanente puede causar defectos en el producto de fundición, por tanto es necesario encontrar un

equilibrio entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja del molde de yeso es que no es

permeable limitando el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema puede resolverse de

varias maneras: 1) evacuar el aire de la cavidad del molde antes de vaciar; 2) batir la pasta de yeso antes

de hacer el molde, de manera que el yeso fraguado contenga pequeños poros dispersados; y 3) usar

composiciones especiales del molde y un tratamiento conocido como proceso Antioch. Este proceso

consiste en utilizar cerca de un 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en una autoclave

(estufa que usa vapor sobrecalentado a presión), y después secar. El molde resultante tiene una

permeabilidad considerablemente más grande que el molde de yeso convencional.

Los moldes de yeso no pueden soportar temperaturas tan elevadas como los moldes de arena. Por tanto,

están limitados a fundiciones de bajo punto de fusión como aluminio, magnesio y algunas aleaciones de

cobre. Su campo de aplicación incluye moldes de metal para plásticos y hule, impulsores para bombas y

turbinas, y otras partes cuyas formas son relativamente intrincadas. Los tamaños de las fundiciones

varían desde menos de una onza hasta varios cientos de libras; las partes que pesan menos de 20 lb.

son las más comunes. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son su buen acabado

superficial, su precisión dimensional y su capacidad para hacer fundiciones de sección transversal

delgada.

Capítulo II


60

2.3.4 FUNDICIÓN EN MOLDE DE CERÁMICA

Las fundiciones con moldes cerámicos son similares a las fundiciones con molde de yeso, el

modelo se introduce varias veces en una lechada refractaria (yeso con polvo de mármol) la que cada vez

que el modelo se introduce este se recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el

modelo. Posteriormente el modelo se extrae y luego el molde se introduce en un horno con lo que el

material refractario se endurece. Así, los moldes cerámicos pueden usarse para fundiciones de acero,

hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente

intrincadas) son similares a las de los moldes de yeso excepto por los metales que se funden. Sus

ventajas (buena precisión y acabado) son también similares.

2.2.9 FUNDICIÓN EN MOLDE CON REVESTIMIENTO (MODELO PERDIDO)

Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas artísticas. Consiste en la creación de un

modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características

deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es revestido (se cubre completamente) con yeso o un

material cerámico que soporte el metal fundido. Luego el conjunto se introduce a un horno, con ello el

material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite, obteniendo así el molde. En el molde

fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso de fundición capaz de

hacer piezas de alta precisión e intrincados detalles y se conoce también como fundición a la cera

perdida, debido a que el modelo de cera se pierde en el molde antes de fundirse.

Los pasos en la fundición por revestimiento se describen en la figura 2.16. Como los modelos de

cera se funden después que se hace el molde refractario, se debe fabricar un modelo para cada

fundición. La producción de modelos se realiza mediante una operación de moldeo, que consiste en

vaciar o inyectar cera caliente en un dado maestro, diseñado con las tolerancias apropiadas para la

contracción de la cera y del metal de fundición. En los casos donde la forma de la pieza es complicada,

se juntan varias piezas de cera para hacer el patrón. En operaciones de alta producción se pegan varios

patrones a un bebedero de colada, hecho también de cera, para formar un modelo de árbol, ésta es la

forma que tomará el metal fundido.

El recubrimiento con refractario (paso 3) se hace generalmente por inmersión del árbol patrón en

un lodo de sílice u otro refractario de grano muy, fino (casi en forma de polvo) mezclado con yeso que

sirve para unir el molde. El grano fino del material refractario provee una superficie lisa que captura los

intrincados detalles del modelo de cera. El molde final (paso 4) se forma por inmersiones repetidas del

árbol en el lodo refractario o por una compactación cuidadosa del refractario alrededor del árbol en un

recipiente. El molde se deja secar al aire, aproximadamente ocho horas, para que endurezca el

aglutinante.

Capítulo II


61

FIGURA 2.16 Pasos en la fundición por revestimiento. (1) se producen los patrones o

modelos de cera; (2) se adhieren varios modelos a un bebedero para formar el modelo

de árbol; (3) el modelo de árbol se recubre con una capa delgada de material refractario;

(4) se forma el molde entero, cubriendo el árbol revestido con suficiente material para

hacerlo rígido; (5) el molde se sostiene en posición invertida y se calienta para fundir la

cera y dejar que escurra fuera de la cavidad; (6) el molde se precalienta a una alta

temperatura para asegurar la eliminación de todos los contaminantes del molde, esto

también facilita que el metal fluya dentro de la cavidad y sus detalles, el metal se vacía y

solidifica; (7) el molde se rompe y se separa de la fundición terminada. Las partes se

separan del bebedero de colada.

Las ventajas de la fundición por revestimiento son: 1) capacidad para fundir piezas complejas e

intrincadas; 2) estrecho control dimensional con posibles tolerancias de ±0.076 mm; 3) buen acabado de

la superficie; 4) recuperación de la cera para reutilizarla y 5) por lo general no se requiere maquinado

adicional. Éste es un proceso de forma neta, aunque relativamente costoso por la cantidad de pasos que

involucra su operación. Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequeño,

aunque se han fundido satisfactoriamente partes de formas complejas de hasta 34 Kg. Pueden fundirse

todos los tipos metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura.

Algunos ejemplos de partes fundidas por este proceso son: partes complejas de maquinaria paletas y

otros componentes para motores de turbina, así como joyería y accesorios dentales. En la figura 2,17 se

Capítulo II


62

muestra una pieza que ilustra las características intrincadas que son posibles con la fundición por

revestimiento.

FIGURA 2.17 Estator de una sola pieza para compresor hecho mediante fundición por

con 108 aletas aerodinámicas separadas (cortesía de Howmet Corp.).

2.2.10 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE

La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es la necesidad de

un nuevo molde para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas

veces. En esta sección analizaremos la fundición en molde permanente, tratándola como un proceso

básico del grupo de procesos que utilizan moldes reutilizables.

La fundición en molde permanente usa un molde metálico construido en dos secciones que

están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero

o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitades

del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que

se funden comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro

fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo

cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero,

hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de

material refractario.

En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de

fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o

deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón

Capítulo II


63

metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición

es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente.

Los pasos en el proceso de fundición con molde permanente se describen en la figura 2.18. Los

moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El

precalentamiento facilita el flujo del metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los

recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la

fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia

de, los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que

ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición.

FIGURA 2.18 Pasos en la fundición en molde permanente: (1) el molde se precalienta y

se recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el metal

fundido se vacía en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se muestra en

(5).

Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control

dimensional estrecho, como ya se mencionó. Además, la solidificación más rápida causada por el molde

metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más

resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión. La manufactura de

formas geométricas más simples que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el

Capítulo II


64

molde) constituye otra limitación, además del costo. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se

adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las partes típicas que se

producen con proceso de molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y

ciertas fundiciones para aviones y proyectiles.

Fundición hueca La fundición hueca es un proceso de molde permanente en el cual se forma un

hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado Parcialmente en la superficie del molde,

drenando así el metal líquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del

molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición (sección 2.1.3). El espesor del casco

se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundición hueca se usa para hacer estatuas,

pedestales de lámparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusión como plomo, zinc y

estaño. En estos artículos lo importante es la apariencia exterior, pero la resistencia y la geometría

interior de la fundición no son relevantes.

2.2.11 FUNDICIÓN A PRESIÓN

La fundición a presión es un proceso que necesariamente utiliza moldes permanentes y se puede

clasificar en: fundición a baja presión, fundición con molde permanente al vació y fundición en dados.

FIGURA 2.19 Fundición a baja presión. El diagrama muestra cómo se usa la presión del

aire para forzar el metal fundido, dentro de la cuchara de colada, hacia la cavidad molde.

La presión se mantiene hasta que solidifica la fundición.

Fundición a baja presión En el proceso de fundición con molde permanente básico y en la

fundición hueca, el flujo de metal en la cavidad del molde es causado por la gravedad. En la fundición a

Capítulo II


65

baja presión, el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0.1 MPa,

aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como sé, ilustra en la figura 2.19. La

ventaja de este método sobre el vaciado tradicional es que se introduce en el molde un metal limpio

desde el centro del crisol, en lugar de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la

porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación, y se mejoran las propiedades

mecánicas.

Fundición con molde permanente al vacío La fundición con molde permanente al vació es una

variante de la fundición a baja presión en la cual se usa vacío para introducir el metal fundido en la

cavidad del molde. La configuración general del proceso es similar a la operación de fundición a baja

presión. La diferencia es que se usa la presión reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido

a la cavidad, en lugar de forzarlo por una presión positiva de aire desde abajo. Los beneficios de la

técnica al vacío, en relación con la fundición a baja presión, son que se reduce la porosidad del aire y los

efectos relacionados, obteniendo una mayor resistencia del producto de fundición.

La fundición en dados es un proceso de fundición en molde permanente en el cual se inyecta el

metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. Las presiones típicas son de 7 a 350 MPa. La

presión se mantiene durante la solidificación; posteriormente, el molde se abre para remover la pieza. Los

moldes en la operación de fundición se llaman dados, de aquí el nombre de fundición en dados. El uso de

alta presión para forzar al metal dentro de la cavidad del dado es la característica más notable que

distingue a este proceso de otros en la categoría de molde permanente.

Las operaciones de fundición en dados se llevan a cabo en máquinas especiales. Las máquinas

modernas de fundición en dados están diseñadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del

molde y mantenerlas cerradas, mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad. La

configuración general se muestra en la figura 2.20

FIGURA 2.20 Configuración general de una máquina de fundición en dados (cámara

fría).

Capítulo II


66

Existen dos tipos principales de máquinas de fundición en dados: 1) de cámara caliente y 2) de cámara

fría; sus diferencias radican en la forma en que se inyecta el metal a la cavidad.

En las máquinas de cámara caliente, el metal se funde en un recipiente adherido a la máquina y

se inyecta en el dado usando un pistón de alta presión. Las presiones típicas de inyección son de (7 a 35

MPa). La fundición se resume en la figura 2.21. Son velocidades características de producción de hasta

500 partes por hora. La fundición en dados con cámara caliente impone una dificultad especial en el

sistema de inyección, porque gran parte de dicho sistema queda sumergido en el metal fundido. Por esa

causa, las aplicaciones del proceso quedan limitadas a metales de bajo punto de fusión que no atacan

químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos. Estos metales incluyen al zinc, al estaño, al

plomo y algunas veces al magnesio.

FIGURA 2.21 Ciclo de la fundición en cámara caliente: (1) el metal fluye en la cámara

con el dado cerrado y el émbolo levantado; (2) el émbolo fuerza al metal de la cámara a

fluir hacia el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación, y (3)

se levanta el émbolo, se abre el dado y se expulsa la parte solidificada. La parte

terminada se muestra en (4).

Capítulo II


67

En las máquinas de fundición en dados con cámara fría, el metal fundido procedente de un

contenedor externo para colar, se vacía en una cámara sin calentar y se usa un pistón para inyectar el

metal a alta presión en la cavidad del dado. Las presiones de inyección usadas en estas máquinas van

típicamente (14 a 140 MPa). El ciclo de producción se explica en la figura 2.22. La velocidad de ciclo no

es tan rápida con respecto a las máquinas de cámara caliente, debido a que es necesaria una cuchara de

colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa en la cámara. Sin embargo, este proceso de

fundición es una operación de alta producción. Las máquinas de cámara fría se usan típicamente para

fundiciones de aluminio, latón y aleaciones de magnesio. Las aleaciones de bajo punto de fusión (zinc,

estaño, plomo) pueden también fundirse en máquinas de cámara fría, pero las ventajas del proceso de

cámara caliente favorecen más el uso de estos metales.

FIGURA 2.22 Ciclo de la fundición en cámara fría: (1) se vacía el metal en la cámara con

el dado cerrado y el pisón retraído; (2) el pisón fuerza al metal a fluir en el dado,

manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación; y (3) se retrae el pisón,

se abre el dado y se expulsa la fundición. El sistema de vaciado está simplificado.

Los moldes que se usan en operaciones de fundición en dados se hacen generalmente con acero

de herramienta y acero para moldes refractarios. El tungsteno y el molibdeno con buenas cualidades

refractarias también se utilizan, especialmente en los intentos para fundir el acero y el hierro en dados.

Los dados pueden tener una cavidad única o múltiple. Los dados de cavidad única se muestran en las

figuras 2.21 y 2.22. Se requieren pernos expulsores para remover la parte del dado cuando éste se abre,

como se muestra en los diagramas. Estos pernos empujan la parte de manera que puedan removerse de

la superficie del dado. También es necesario rociar lubricantes en las cavidades para prevenir el pegado.

Capítulo II


68

Como los materiales del dado no tienen porosidad natural y el metal fundido fluye rápidamente en el dado

durante la inyección, se deben construir barrenos o vías de paso en el plano de separación de los dados

para evacuar el aire y los gases de la cavidad. Aun cuando los orificios son bastante pequeños, se llenan

con el metal durante la inyección, pero éste debe quitarse después. También es común la formación de

rebabas en lugares donde el metal líquido a alta presión penetra entre los pequeños espacios del plano

de separación o en los claros alrededor de los corazones y de los pernos expulsores. La rebaba debe

recortarse de la fundición junto con el bebedero y el sistema de vaciado.

Las ventajas de la fundición en dados incluyen: 1) altas velocidades de producción; 2) son

económicas para volúmenes grandes de producción; 3) son posibles tolerancias estrechas, del orden de

± 0.076 mm en partes pequeñas; 4) buen acabado de la superficie; 5) son posibles secciones delgadas

hasta cerca de 0.05 mm y 6) el enfriamiento rápido proporciona a la fundición granos de tamaño pequeño

y buena resistencia. Las limitaciones de este proceso, además de los metales que maneja, son la

restricción en la forma de las piezas. La geometría dé la parte debe ser tal que pueda removerse de la

cavidad del dado.

2.2.12 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN

Hay numerosas contingencias que causan dificultades en una operación de fundición y originan

defectos de calidad en el producto. En esta sección recopilamos una lista de defectos comunes que

ocurren en la fundición e indicamos los procedimientos de inspección para detectarlos.

Defectos de la fundición Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición. Estos

defectos se ilustran en la figura 2.23 y se describen brevemente a continuación:

FIGURA 2.23 Algunos defectos comunes en las fundiciones: (a) llenado incompleto, (b)

junta fría, (c) gránulos fríos. (d) cavidad por contracción, (e) microporosidad y (f)

desgarramientos calientes.

Capítulo II


69

a) Llenado incompleto. Este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el

llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen: 1) fluidez insuficiente del metal-

fundido, 2) muy baja temperatura de vaciado, 3) vaciado que se realiza muy lentamente y/o 4)

sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.

b) Junta fría. Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero

hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas

son similares a las del llenado incompleto.

c) Metal granoso o gránulos fríos. Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen

glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema y de los

procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto.

d) Cavidad por contracción. Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en

la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido

disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de

la fundición, en cuyo caso se llama rechupe (figura 2.7). El problema se puede resolver

frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota.

e) Microporosidad. Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición

debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica El

defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre

la solidificación en estos metales.

f) Desgarramiento caliente. Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando

un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de

enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se

manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en

un punto donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del

metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde

desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los

procesos de molde permanente se reduce el desgarramiento en caliente, al separar la fundición

del molde inmediatamente después de la solidificación.

Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por tanto, ocurren solamente en

la fundición en arena. Aunque en menor grado, los otros procesos de molde desechable son también

susceptibles a estos problemas. En la figura 2.24 se muestran algunos de los principales defectos que

ocurren en la fundición en arena

a) Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de

gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o

cerca ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena

del molde son las causas generales.

Capítulo II


70

FIGURA 2.24 Defectos comunes de fundiciones en arena: (a) sopladuras (b) puntos de

alfiler, (c) caídas de arena, (d) costras, (e) penetración, (f) corrimiento del molde (g)

corrimiento del corazón y (h) molde agrietado.

b) Puntos de alfiler. Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de

numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo

de ella.

c) Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que

resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime

en la superficie de la fundición final.

d) Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debido a la incrustación de arena y

metal. Son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran

durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición.

e) Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o

en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una

mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar

esta condición.

f) Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto

fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior.

g) Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el

desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por

la flotación del metal fundido.

Capítulo II


71

h) Molde agrietado (venas y relieves). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede

desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición

final.

Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en la fundición incluyen: 1) inspección

visual para detectar defectos obvios como llenado incompleto, cortes fríos y grietas severas en la

superficie; 2) medida de las dimensiones para asegurarse que están dentro de las tolerancias; y 3)

pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y otras relacionadas con la calidad inherente del metal fundido.

Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de presión para localizar fugas en la fundición; b)

métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y

pruebas supersónicas para detectar defectos superficiales o internos en la fundición; c) ensayos

mecánicos para determinar propiedades, tales como la resistencia a la tensión y dureza.

Si se descubren defectos, pero éstos no son serios, muchas veces es posible salvar la fundición

por soldadura, esmerilado y otros métodos de recuperación que se hayan convenido con el cliente.

2.2.10 METALES PARA FUNDICIÓN

La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas de aleaciones más que de metales puros.

Las aleaciones son generalmente más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son

mejores. Las aleaciones de fundición pueden clasificarse en: ferrosas y no ferrosas. Las ferrosas se

subdividen en hierros fundidos y aceros fundidos.

Aleaciones ferrosas: hierro fundido El hierro fundido es la más importante de todas las

aleaciones de fundición. El tonelaje de fundiciones de hierro es varias veces mayor que el de todos los

otros metales combinados. Existen varios tipos de fundición de hierro: 1) hierro gris, 2) hierro nodular, 3)

hierro blanco (fundición blanca), 4) hierro maleable y 5) fundiciones de aleación de hierro. Las

temperaturas típicas de vaciado para hierros fundidos están alrededor de los 1400 ºC, dependiendo de la

composición

Aleaciones ferrosas: acero Las propiedades mecánicas del acero lo hace un material atractivo

para ingeniería, los procesos de fundición son también muy atractivos por su capacidad de generar

formas complejas. Sin embargo, la fundición especializada del acero enfrenta grandes dificultades.

Primero, el punto de fusión del acero es considerablemente más alto que el de los otros metales comunes

de fundición. El intervalo de solidificación para los aceros de bajo carbón queda un poco abajo de los

1440 ºC. Esto significa que la temperatura de vaciado requerida para el acero es bastante alta, alrededor

de los 1650 ºC. A elevadas temperaturas, la reactividad química del acero es alta. Se oxida fácilmente así

que deben usarse procedimientos especiales durante la fusión y el vaciado para aislar al metal fundido

del aire. Por otra parte, el acero fundido tiene una fluidez relativamente pobre, y esto limita el diseño de

componentes de fundición de acero con secciones delgadas.

Capítulo II


72

Varias características de las fundiciones de acero justifican los esfuerzos para resolver estos

problemas. La resistencia a la tensión es bastante más alta en el acero que en la mayoría de los metales

de fundición, ésta puede llegar hasta cerca de 410 MPa. Las fundiciones de acero tienen mejor tenacidad

que la mayoría de las aleaciones de fundición. Las propiedades de las fundiciones de acero son

isotrópicas; es decir, su resistencia es prácticamente la misma en cualquier dirección. En cambio, las

partes formadas mecánicamente (por ejemplo, por laminado o forjado) exhiben direccionalidad en sus

propiedades. El comportamiento isotrópico del material puede ser conveniente, dependiendo de los

requerimientos del producto. Otra ventaja de las fundiciones de acero es que pueden soldarse fácilmente

con otros componentes de acero para fabricar estructuras o para reparar las fundiciones, sin que exista

una pérdida significativa de su resistencia.

Aleaciones no ferrosas Los metales para fundición no ferrosos incluyen aleaciones de aluminio,

magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio. Las aleaciones de aluminio son en general las más

manejables. El punto de fusión del aluminio puro es 600 ºC por consiguiente, las temperaturas de vaciado

para las aleaciones de aluminio son bajas comparadas con las de las fundiciones de hierro y acero. Las

propiedades que hacen atractivas a estas aleaciones para la fundición son: su peso ligero, su amplio

rango de propiedades de resistencia que se pueden obtener a través de tratamientos térmicos y su

facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales de

fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión y altas relaciones de resistencia y

tenacidad al peso.

Las aleaciones de cobre incluyen al bronce, latón y bronce al aluminio. Las propiedades que hacen

atractivas a estas aleaciones son su resistencia a la corrosión, su apariencia atractiva y sus buenas

cualidades antifricción. El alto costo del cobre es una limitación en el uso de sus aleaciones. Sus

aplicaciones comprenden accesorios para tubería, aletas de propulsores marinos, componentes de

bombas y joyería ornamental.

El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales de fundición. Las aleaciones a base de

estaño son generalmente fáciles de fundir. Tienen buena resistencia a la corrosión, pero pobre resistencia

mecánica, lo cual limita sus aplicaciones a ollas de peltre y productos similares que no requieren alta

resistencia. Las aleaciones de zinc se usan comúnmente para fundición en dados. El zinc tiene un punto

de fusión bajo y buena fluidez, propiedades, que lo hacen altamente fundible. Su mayor debilidad es su

baja resistencia a la termofluencia, por tanto, sus fundiciones no pueden sujetarse prolongadamente a

altos esfuerzos.

Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia en caliente y resistencia a la corrosión,

propiedades que son adecuadas para aplicaciones a altas temperaturas, como motores de propulsión a

chorro, componentes de cohetes, escudos contra el calor y partes similares. Las aleaciones de níquel

también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio, son

Capítulo II


73

aleaciones resistentes a la corrosión con una alta relación de resistencia-peso, Sin embargo, el titanio

tiene un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas. Estas

propiedades hacen que el titanio y sus aleaciones sean difíciles de fundir.

2.2.11 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS

Si el diseñador de productos selecciona la fundición como el proceso principal de manufactura para

un componente particular, serán necesarios ciertos lineamientos que faciliten la producción y eviten

muchos de los defectos que se enumeran en la sección 2.2.8. A continuación se presentan algunos

lineamientos y consideraciones importantes para el diseño de fundiciones.

Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir,

formas complejas la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar

complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar

corazones y se mejora la resistencia de la fundición.

Esquinas. Deben evitarse esquinas y ángulos agudos, ya que son fuente de concentración de

esfuerzos y pueden causar desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Es necesario redondear

los ángulos en las esquinas interiores y suavizar los bordes agudos.

Espesores de sección. Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de prevenir bolsas de

contracción. Las secciones más gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a un mayor

volumen que requiere más tiempo para solidificar y enfriar Éstos son lugares posibles donde se pueden

formar bolsas de contracción. La figura 2.25 ilustra el problema y ofrece algunas soluciones posibles.

FIGURA 2.25 (a) En la parte gruesa de la intersección se puede formar una cavidad por

contracción, (b) esto se puede remediar rediseñando la pieza para reducir el espesor y

(c) usando un corazón.

Ahusanúento. Las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un

ahusamiento o ángulos de salida, como se define en la figura 2.26. El propósito de este ahusamiento en

los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con

molde permanente el objetivo es ayudar a remover la parte del molde. Si se usan corazones sólidos,

éstos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento requerido

necesita ser solamente de lº para fundición en arena y de 2º a 3º para procesos con molde permanente.

Capítulo II


74

Uso de corazones. Puede reducirse la necesidad de usar corazones con cambios menores en el diseño

de la pieza, como se muestra en la figura 2.25.

FIGURA 2.26 Cambio de diseño para eliminar la necesidad de usar un corazón: (a)

diseño original y (b) rediseño.

Tolerancias dimensiónales y acabado superficial. Se pueden lograr diferencias significativas en

la precisión dimensional y en los acabados de la fundición, dependiendo del proceso que se use. La tabla

2.2 muestra una recopilación de valores típicos para estos parámetros. TABLA 2.2 Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes

procesos de fundición y metales

Tolerancia Rugosidad superficial Proceso de fundición Tamaño dela parte Pulg mm µpulg µm

Fundición en arena a

Aluminio b Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero Molde de yeso Molde permanente Aluminio b

Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero Fundición en dados Aleaciones de cobre Aluminio b

Revestimiento Aluminio b

Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero

Pequeño Pequeño Grande

Pequeño Pequeño Grande

Pequeño Grande

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

Pequeño Pequeño

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

±0.020±0.040±0.016±0.015±0.050±0.080

±0.005±0.015

±0.010±0.030±0.015±0.020

±0.005±0.005

±0.005±0.010±0.005±0.010

(±0.5) (±1.0) (±1.5) (±0.4) (±1.3) (±2.0)

(±0.12)(±0.4)

(±0.25)(±0.8) (±0.4) (±0.5)

(±0.12)(±0.12)

(±0.12)(±0.25)(±0.12)(±0.25)

250-1000

30

125

40-100

30-100

(6-25)

(0.75)

(3.2)

(1-25)

(0.75-2.5)

a Loa valores de rugosidad son para moldes de arena verde; para otros procesos con

molde de arena, el acabado superficial es mejor b Los valores para el aluminio se aplican también al magnesio

Capítulo II


75

Tolerancias de maquinado. Las tolerancias que se especifican en muchos procesos de fundición

son insuficientes para cumplir las necesidades funcionales de muchas aplicaciones. La fundición en

arena es el ejemplo más característico de esta necesidad. En este caso, deben maquinarse porciones de

la fundición a las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse total o

parcialmente a fin de darles funcionalidad. Por consiguiente, debe dejarse en la fundición material

adicional, llamado tolerancia de maquinado para facilitar dicha operación. Las tolerancias típicas de

maquinado para fundiciones de arena fluctúan entre 2 y 6 mm.

Documents

Procesos de fundicion f montano